WO2004057725A1 - Rotor for an electric motor - Google Patents

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WO2004057725A1
WO2004057725A1 PCT/DK2003/000860 DK0300860W WO2004057725A1 WO 2004057725 A1 WO2004057725 A1 WO 2004057725A1 DK 0300860 W DK0300860 W DK 0300860W WO 2004057725 A1 WO2004057725 A1 WO 2004057725A1
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WO
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rotor
permanent magnets
axis
receiving spaces
electric motor
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Application number
PCT/DK2003/000860
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German (de)
French (fr)
Inventor
Niels Christian Weihrauch
Original Assignee
Danfoss Compressors Gmbh
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Application filed by Danfoss Compressors Gmbh filed Critical Danfoss Compressors Gmbh
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706Inner rotors
    • H02K1/272Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/46Motors having additional short-circuited winding for starting as an asynchronous motor

Definitions

  • the invention relates to a rotor for an electric motor, in particular a line-start electric motor, with receiving spaces for conductor bars that run in the axial direction and with receiving spaces for permanent magnets that run in the axial direction and that are curved and arranged.
  • Hybrid three-phase motors that represent a combination of a three-phase asynchronous motor with a three-phase synchronous motor are referred to as line-start electric motors.
  • Such a line-start electric motor comprises a stator, which is also referred to as a stator, with a plurality of stator or stator windings.
  • the stator windings generate a rotating field that generates a voltage in a rotor or rotor, which causes the rotor to rotate.
  • the rotor of a line-start electric motor has features of the rotor of a three-phase asynchronous motor as well as features of the rotor of a three-phase synchronous motor.
  • Line start motors can also be designed for single-phase power supplies, possibly with an operating capacitor.
  • conductor bars for example made of aluminum or copper, are arranged essentially in the axial direction.
  • the conductor bars can be connected by short-circuit rings on the end faces of the rotor.
  • the conductor bars together with the short-circuit rings form the rotor winding and can have the shape of a cage, which is why such a rotor is also referred to as a squirrel-cage rotor.
  • the rotating field of the stator winding causes a change in the flux in the conductor loops of the rotor, which is initially stationary.
  • the flow rate of change is proportional to the rotating field speed.
  • the induced voltage causes current to flow in the rotor conductor bars connected by the short-circuit rings.
  • the magnetic field generated by the rotor current causes a torque that rotates the rotor in the direction of rotation of the stator rotating field. If the rotor reached the speed of the stator rotating field, the flux change in the conductor loop under consideration would be zero and thus the torque causing the rotation.
  • the rotor speed is therefore always lower than the rotating field speed in three-phase asynchronous motors. The rotor therefore does not run mechanically in synchronism with the rotating field speed.
  • Permanent magnets can be arranged in the rotor of a three-phase synchronous motor, for example, which generate a rotating magnetic field during operation.
  • the poles of the rotor are attracted by the opposite poles of the stator rotating field and shortly afterwards repelled by its poles of the same type. Due to its inertia, the rotor cannot immediately follow the stator speed. If, however, the rotor has approximately reached the speed of the stator rotating field, then the rotor is, so to speak, drawn into the stator rotating field speed and continues to run with it. This means that after the rotor starts up, it rotates synchronously with the stator rotating field speed.
  • the rotor of a line start electric motor includes both permanent magnets and conductor bars.
  • the conductor bars form a starting aid for the rotor.
  • the permanent magnets are effective.
  • the line start electric motor thus combines the good starting properties of an asynchronous motor, i.e. the large starting torque, with the high efficiency of the synchronous motor.
  • the conductor bars develop their effect, whereas the permanent magnets actually only have a disruptive role when the motor starts.
  • the permanent magnets develop their effect, whereas the conductor bars then no longer contribute to the generation of the torque, since no voltage is induced in the conductor bars in synchronous operation.
  • the magnetic field existing in the operation of the line-start electric motor in an air gap between the rotor and stator comprises two components.
  • the first component of the resulting field is caused by the stator windings. This is also known as a rotating field.
  • the second component of the resulting field is caused by the permanent magnets, which can also be referred to as permanent magnets.
  • the magnetic field generated by the stator cannot penetrate the rotor unhindered, because the magnetic field generated by the stator cannot pass through the permanent magnets in their main magnetic axis, and In their non-magnetic axis, magnetic flow barriers in the rotor prevent unrestricted flow. This reduces the starting torque.
  • the object of the invention is to provide a rotor according to the preamble of claim 1, with which the starting torque of a conventional line-start electric motor can be increased.
  • a rotor for an electric motor in particular a line-start electric motor, with receiving spaces for conductor bars that run in the axial direction and with receiving spaces for permanent magnets that are curved and arranged in the axial direction, in that the receiving spaces for Permanent magnets and / or the permanent magnets themselves have different radii of curvature.
  • the use of permanent magnets which do not have a constant radius of curvature, such as in the case of the electric motors known from US Pat. No. 4,403,161, but have different radii of curvature, for example in the form of an ellipse, means that the magnetic field generated by the stator windings can penetrate the rotor better. Starting from the stator windings, a stronger magnetic field can thus be passed through the rotor, which leads to a higher starting or starting torque.
  • a preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that a plurality of permanent magnets are arranged in such a way that they generate a permanent magnetic field with a permanent magnet axis and a neutral axis, and in that the receiving spaces for the permanent magnets and / or the
  • Permanent magnets themselves are so curved and arranged around the axis of rotation of the rotor that the distance between the receiving spaces for the permanent magnets and / or the permanent magnets themselves and the receiving spaces for the conductor bars, viewed in cross section through the rotor, in the region of the permanent magnet axis is larger than in the area of the neutral axis. This creates sufficient space for the field lines of the magnetic field generated by the stator.
  • Another preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the receiving spaces for the permanent magnets and / or the permanent magnets themselves, viewed in cross section through the rotor, have the shape of arcs which are arranged in the form of an ellipse, the main axis of which is aligned with the neutral axis and whose minor axis coincides with the permanent magnet axis.
  • This arrangement has changed in terms of distribution of the magnetic field lines during operation of the device according to the invention has proven to be particularly advantageous.
  • Another preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the receiving spaces for the permanent magnets and / or the permanent magnets themselves, viewed in cross section through the rotor, are less curved in the area of the intersection points with the permanent magnet axis than in the area of the intersection points with the neutral axis. It is thereby achieved that the permanent magnets are not so strongly curved about the axis of rotation of the rotor, but rather extend in the direction of the neutral axis. As a result, the permanent magnetic field generated by the permanent magnets can expand as wide as possible into the air gap between the rotor and stator when the electric motor is in synchronous operation.
  • Another preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the permanent magnetic field generated by the permanent magnets, based on the rotor cross section, extends over an angular range of more than 300 °, in particular over an angular range of approximately 340 °. With these values, the best results were achieved in tests carried out within the scope of the present invention.
  • Sector of the rotor have a substantially elongated cross section, and in that the receiving spaces for the conductor bars in this sector, viewed in cross section, are curved along their longitudinal axis.
  • torque fluctuations in conventional line-start electric motors are due to the fact that the course of the field strength of the resulting magnetic field in the air gap between the stator and rotor is not sinusoidal over the angle of rotation, but, at least partially, is angular. Due to the design and arrangement of the receiving spaces for conductor bars according to the invention, an approximately sinusoidal course can be achieved during operation.
  • the above task is for an electric motor, especially a line-start electric motor, with a stator that has a large number of windings and has a rotor receiving space with an in particular circular cross section, solved in that a previously described rotor is rotatably received in the rotor receiving space. Due to the approximately sinusoidal course of the magnetic field strength of the permanent magnetic field over the rotor rotation angle, the rotor according to the invention leads to improved starting properties, in particular to better synchronization.
  • Figure 1 shows a cross section through a rotor according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a reduced representation of the rotor from FIG. 1 with field lines of the magnetic field generated by the permanent magnets;
  • FIG. 3 shows the rotor from FIG. 2 with field lines of the magnetic field generated by a stator
  • Figure 4 shows a cross section through a rotor according to another embodiment of the invention.
  • Figure 5 shows a cross section through a rotor according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a rotor 1 of a line start electric motor in cross section.
  • the rotor 1 has a central through hole 2, which serves to receive a shaft (not shown), via which a torque generated by the electric motor can be output.
  • the receiving spaces 4 to 7 extend in the axial direction at least over part of the length of the rotor 1.
  • the four receiving spaces 4 to 7 for the permanent magnets 10 to 13 are arranged in the shape of an ellipse.
  • the poles of the permanent magnets 10 to 13 are each designated by the capital letters N for the north pole and S for the south pole.
  • the arrangement of the perma- Magnets 10 to 13 lead to the formation of a magnetic field, the field strength of which is zero along a neutral axis 16 and greatest along a magnetic axis 17.
  • the neutral axis 16 is also referred to as the neutral axis.
  • the rotor 1 is delimited by a circular cylinder surface, on the circumference of which a large number of receiving spaces 20 to 25 and 28, 29 are arranged for conductor bars.
  • the receiving spaces for conductor bars (not shown) extend in the axial direction over the entire length of the rotor 1.
  • the rotor 1 is symmetrical in relation to the neutral axis 16 and the magnetic axis 17. Therefore, for reasons of clarity, only the receiving spaces 20 to 25 and 28, 29 for the conductor bars are provided with reference numerals.
  • Each receiving space for a conductor bar which can also be referred to as a receiving space for a conductor winding, comprises two side walls 31 and 32, which are connected by a semicircular connecting wall 34. At the other end, the elongated receiving spaces for the conductor bars are tapered or blunt. The distances 35 to 39 between the outwardly facing ends of the receiving spaces for the conductor bars are constant.
  • FIG. 1 it can be seen that the two side walls of the receiving space 28 are concave. In contrast, the two side walls of the receiving space 29 are convex.
  • the receiving space 28 is divided into two equal halves by the neutral axis 16 and the receiving space 29 by the magnetic axis 17.
  • the receiving spaces 20 to 25 arranged between the receiving spaces 28 and 29 and thus between the neutral axis 16 and the magnetic axis 17 each have a convex and a concave side wall.
  • the radius of curvature of the receiving spaces 20 to 25 decreases from the neutral axis 16 to the magnetic axis 17. This means that the receiving space 20 has the largest and the receiving space 25 the smallest radii of curvature.
  • FIG. 3 shows the magnetic field generated by a stator (not shown) during the asynchronous starting of the rotor in the form of magnetic field lines partially shown.
  • the magnetic flux through the rotor 1 is indicated in FIG. 3 by arrows 48 and 49.
  • the curved receiving spaces for the conductor bars which can also be referred to as grooves, provide the advantage that the magnetic field generated by the permanent magnets is passed through the rotor 1 in a controlled manner during operation of the line-start electric motor (not shown). As a result, an approximately sinusoidal course of the field strength of the resulting magnetic field can be generated in the air gap between the stator and rotor during operation of the electric motor.
  • the curvature of the grooves or receiving spaces for the conductor bars has the primary function during the synchronous operation of the electric motor to distribute the magnetic field generated by the permanent magnets sinusoidally in the air gap between the rotor and the stator. As a result, the magnetic field will be weakest in the area of the neutral axis and strongest in the area of the magnetic axis.
  • the curved design of the receiving spaces for the conductor bars and the special arrangement of the conductor bars when the electric motor starts up creates a lot of space for the magnetic field of the stator which penetrates the rotor.
  • the special arrangement of the permanent magnets increases the available space.
  • the magnetic field is controlled when the electric motor starts up so that gaps in the magnetic field which are caused by the permanent magnets are filled.
  • a rotor receiving space 101 of the stator is shown schematically in cross section by a circle.
  • a rotor 102 is rotatably received in the rotor receiving space 101.
  • the rotor 102 has an elliptical cross section.
  • receiving spaces 104, 105, 106 are arranged distributed uniformly over the circumference of the rotor 102.
  • the receiving spaces 104, 105 and 106 for conductor bars each have one circular cross section.
  • two receiving spaces 110 and 111 for permanent magnets are arranged.
  • the receiving spaces 110 and 111 for permanent magnets extend in the axial direction of the substantially circular-cylindrical rotor 102.
  • the receiving spaces 110 and 111 for permanent magnets are arranged and formed curved around the axis of rotation of the rotor, and with different radii of curvature.
  • the receiving spaces 110 and 111 have the shape of arcs which are arranged in the shape of an ellipse.
  • the rotor has a central through hole 117 which serves to receive a shaft which can be connected to the rotor 102 in a rotationally fixed manner.
  • the torque generated by the electric motor can be output via the shaft (not shown).
  • Permanent magnets 114 and 115 which generate a permanent field, are received in the receiving spaces 110 and 111.
  • the magnetic field generated by the permanent magnets 114 and 115 is indicated in FIG. 4 by magnetic field lines 120, 121.
  • the permanent magnetic field generated by the permanent magnets 114 and 115 has a magnetic axis 122 and a neutral axis 123. The magnetic field strength is greatest along the magnetic axis 122. Along the neutral axis 123, the magnetic field strength of the permanent magnetic field is zero.
  • the rotor 102 has a greater thickness along the magnetic axis 122 than along the neutral axis 123. Accordingly, the rotor 2 has the shape of an ellipse on its outer circumference, the main axis of which coincides with the magnetic axis 122 and the secondary axis of which coincides with the neutral axis 123.
  • the ellipse formed by the receiving spaces 110 and 111 for the permanent magnets 114 and 115 is arranged perpendicular to the ellipse forming the outer circumference of the rotor 102.
  • the main axis of the ellipse formed by the receiving spaces 110 and 111 coincides with the neutral axis 123.
  • the minor axis of the ellipse formed by the receiving spaces 110 and 111 coincides with the magnetic axis 122.
  • the use of a rotor which is larger in the direction of the magnetic axis 122 of the permanent magnets 114 and 115 respectively has a greater thickness than in the direction of the neutral axis 123, means that the distance between the rotor 102 and the rotor receiving space 101 of the stator varies, that is to say the air gap formed between the rotor 102 and the rotor receiving space 101 of the stator is variable.
  • the air gap is smallest along the magnetic axis 122 and largest along the neutral axis 123.
  • the permanent magnets 114 and 115 do not fill the entire cross section of the receiving spaces 110 and 111.
  • the empty or air-filled parts of the receiving spaces 0 110 and 111 do not generate a magnetic field, which can be seen from the course of the magnetic field lines 120, 121.
  • the distance between the magnetic field lines in the air gap between the rotor 102 and the rotor receiving spaces 101 of the stator is a measure of the electric field strength. It can be seen from FIG. 4 that the magnetic field strength is greatest where the rotor 102 is arranged very close to the rotor receiving space 101 of the stator. To the right and left of the magnetic axis 122, the magnetic field generated by the permanent magnets 114 and 115 becomes weaker, which is desirable. It is thereby achieved that the magnetic field strength in the air gap between the rotor 102 and the rotor receiving space 101 of the stator is approximated to a sinusoidal shape as a function of the angle of rotation of the rotor.
  • FIG. 5 shows a rotor 102 'in cross section, which is similar to the rotor 102 shown in FIG. 4. However, the receiving spaces 110 'and 111' are completely filled with permanent magnets 114 'and 115'. 5 shows magnetic field lines 150, 151 of the magnetic field generated by the stator windings (not shown) 5. The magnetic axis of the magnetic field generated by the stator windings is designated 154. The magnetic axis 152 of the permanent magnetic field generated by the permanent magnets 114 'and 115' runs perpendicular to this. The radii of curvature of the permanent magnets 114 'and 115' are significantly larger in the region of the intersections with the magnetic axis 152 than at the ends of the permanent magnets. It follows that the distance F between the passage 117 and the permanent magnets 114 ', 115' is significantly larger than the distance G.
  • the starting torque or starting torque of a line-start electric motor can be increased by the varying radius of curvature of the permanent magnets become.
  • the permanent magnets are preferably oval or in the form of an ellipse.
  • the curved design or arrangement of the permanent magnets has the advantage over an angular or circular arrangement that the magnetic field generated by the stator windings can penetrate the rotor better.
  • 5 shows where the field lines 150, 151 enter the rotor from the stator, run through the rotor and re-enter the stator on the opposite side. As can be seen in FIG. 5, there is enough space between the permanent magnets and the conductor bars or the receiving spaces for the conductor bars for the magnetic field lines of the stator magnetic field. This means that no magnetic bottlenecks are caused, as is the case with conventional line-start electric motors.
  • the permanent magnets can either be formed in one piece, or can be formed from a plurality of magnet segments.

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Abstract

The invention relates to a rotor for an electric motor, especially a line-start electric motor, comprising axially extending receiving regions (20 to 25) for conductive rods and axially extending receiving regions (4 to 7) for permanent magnets, which are embodied and arranged in a curved manner. In order to increase the starting torque, the receiving regions (4 to 7) for permanent magnets and/or the permanent magnets themselves have different radii of curvature.

Description

Rotor für einen Elektromotor Rotor for an electric motor
Die Erfindung betrifft einen Rotor für einen Elektromotor, insbesondere einen Line-Start-Elektromotor, mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen für Leiterstäbe und mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen für Permanentmagnete, die gekrümmt ausgebildet und angeordnet sind.The invention relates to a rotor for an electric motor, in particular a line-start electric motor, with receiving spaces for conductor bars that run in the axial direction and with receiving spaces for permanent magnets that run in the axial direction and that are curved and arranged.
Als Line-Start-Elektromotoren werden Hybrid-Drehstrommotoren bezeichnet, die eine Kombination eines Drehstromasynchronmotors mit einem Drehstromsyn- chronmotor darstellen. Ein solcher Line-Start-Elektromotor umfasst einen Stator, der auch als Ständer bezeichnet wird, mit mehreren Stator- oder Ständerwicklungen. Die Ständerwicklungen erzeugen ein Drehfeld, das in einem Läufer oder Rotor eine Spannung erzeugt, durch die der Rotor in Drehung versetzt wird. Der Rotor eines Line-Start-Elektromotors hat sowohl Merkmale des Rotors eines Drehstromasynchronmotors als auch Merkmale des Rotors eines Drehstromsynchronmotors. Line-Start-Motoren können auch für einphasige Netzversorgungen ausgelegt werden, eventuell mit Betriebskondensator.Hybrid three-phase motors that represent a combination of a three-phase asynchronous motor with a three-phase synchronous motor are referred to as line-start electric motors. Such a line-start electric motor comprises a stator, which is also referred to as a stator, with a plurality of stator or stator windings. The stator windings generate a rotating field that generates a voltage in a rotor or rotor, which causes the rotor to rotate. The rotor of a line-start electric motor has features of the rotor of a three-phase asynchronous motor as well as features of the rotor of a three-phase synchronous motor. Line start motors can also be designed for single-phase power supplies, possibly with an operating capacitor.
In dem Rotor eines Drehstromasynchronmotors, der auch als Induktionsmotor bezeichnet wird, sind Leiterstäbe zum Beispiel aus Aluminium oder Kupfer im Wesentlichen in axialer Richtung angeordnet. An den Stirnseiten des Rotors können die Leiterstäbe durch Kurzschlussringe verbunden sein. Die Leiterstäbe bilden zusammen mit den Kurzschlussringen die Läuferwicklung und können die Form eines Käfigs haben, weshalb ein solcher Rotor auch als Käfigläufer bezeichnet wird. In Betrieb bewirkt das Drehfeld der Statorwicklung eine Fluss- änderung in den Leiterschleifen des zunächst stillstehenden Rotors. Die Fluss- änderungsgeschwindigkeit ist proportional der Drehfelddrehzahl. Die induzierte Spannung lässt Strom in den durch die Kurzschlussringe verbundenen Rotorleiterstäben fließen. Das durch den Rotorstrom erzeugte Magnetfeld bewirkt ein Drehmoment, das den Rotor in Drehrichtung des Statordrehfelds dreht. Wenn der Rotor die Drehzahl des Statordrehfelds erreichen würde, dann wäre die Flussänderung in der betrachteten Leiterschleife Null und damit auch das die Drehung bewirkende Drehmoment. Die Rotordrehzahl ist daher bei Drehstromasynchronmotoren stets kleiner als die Drehfelddrehzahl. Der Rotor läuft also nicht mechanisch synchron mit der Drehfelddrehzahl. In dem Rotor eines Drehstromsynchronmotors können zum Beispiel Permanentmagnete angeordnet sein, die im Betrieb ein magnetisches Rotordrehfeld erzeugen. Wenn die Statorwicklung mit Drehstrom versorgt wird, werden die Pole des Rotors durch die Gegenpole des Statordrehfelds angezogen und kurz darauf von dessen gleichartigen Polen abgestoßen. Der Rotor kann in Folge seiner Massenträgheit nicht sofort der Statordrehzahl folgen. Wenn der Rotor aber annähernd die Drehzahl des Statordrehfelds erreicht hat, dann wird der Rotor sozusagen in die Statordrehfelddrehzahl hineingezogen und läuft mit dieser weiter. Das heißt, nach dem Anlaufen des Rotors dreht sich dieser synchron mit der Statordrehfelddrehzahl.In the rotor of a three-phase asynchronous motor, which is also referred to as an induction motor, conductor bars, for example made of aluminum or copper, are arranged essentially in the axial direction. The conductor bars can be connected by short-circuit rings on the end faces of the rotor. The conductor bars together with the short-circuit rings form the rotor winding and can have the shape of a cage, which is why such a rotor is also referred to as a squirrel-cage rotor. In operation, the rotating field of the stator winding causes a change in the flux in the conductor loops of the rotor, which is initially stationary. The flow rate of change is proportional to the rotating field speed. The induced voltage causes current to flow in the rotor conductor bars connected by the short-circuit rings. The magnetic field generated by the rotor current causes a torque that rotates the rotor in the direction of rotation of the stator rotating field. If the rotor reached the speed of the stator rotating field, the flux change in the conductor loop under consideration would be zero and thus the torque causing the rotation. The rotor speed is therefore always lower than the rotating field speed in three-phase asynchronous motors. The rotor therefore does not run mechanically in synchronism with the rotating field speed. Permanent magnets can be arranged in the rotor of a three-phase synchronous motor, for example, which generate a rotating magnetic field during operation. When the stator winding is supplied with three-phase current, the poles of the rotor are attracted by the opposite poles of the stator rotating field and shortly afterwards repelled by its poles of the same type. Due to its inertia, the rotor cannot immediately follow the stator speed. If, however, the rotor has approximately reached the speed of the stator rotating field, then the rotor is, so to speak, drawn into the stator rotating field speed and continues to run with it. This means that after the rotor starts up, it rotates synchronously with the stator rotating field speed.
Der Rotor eines Line-Start-Elektromotors umfasst sowohl Permanentmagnete als auch Leiterstäbe. Die Leiterstäbe bilden eine Anlaufhilfe für den Rotor. Wenn annähernd die Drehzahl des Statordrehfelds erreicht worden ist, dann entfalten die Permanentmagnete ihre Wirkung. Der Line-Start-Elektromotor verbindet also die guten Anlaufeigenschaften eines Asynchronmotors, also das große Anlaufmoment, mit dem hohen Wirkungsgrad des Synchronmotors. Beim Anlaufen des Motors entfalten die Leiterstäbe ihre Wirkung, wohingegen die Dauermagnete beim Anlaufen des Motors eigentlich nur eine störende Rolle haben. Während des synchronen Betriebs, zum Beispiel bei 50 Hz oder 3000 U/min., entfalten dagegen die Dauermagnete ihre Wirkung, wohingegen die Leiterstäbe dann nicht mehr zur Erzeugung des Drehmoments beitragen, da im Synchronbetrieb in den Leiterstäben keine Spannung induziert wird.The rotor of a line start electric motor includes both permanent magnets and conductor bars. The conductor bars form a starting aid for the rotor. When the speed of the stator rotating field has approximately been reached, the permanent magnets are effective. The line start electric motor thus combines the good starting properties of an asynchronous motor, i.e. the large starting torque, with the high efficiency of the synchronous motor. When the motor starts, the conductor bars develop their effect, whereas the permanent magnets actually only have a disruptive role when the motor starts. In contrast, during synchronous operation, for example at 50 Hz or 3000 rpm, the permanent magnets develop their effect, whereas the conductor bars then no longer contribute to the generation of the torque, since no voltage is induced in the conductor bars in synchronous operation.
Das im Betrieb des Line-Start-Elektromotors in einem Luftspalt zwischen Rotor und Stator existierende magnetische Feld umfasst zwei Komponenten. Die erste Komponente des resultierenden Felds wird von den Statorwicklungen bewirkt. Diese wird auch als Drehfeld bezeichnet. Die zweite Komponente des resultierenden Felds wird von den Permanentmagneten bewirkt, die auch als Dauermagneten bezeichnet werden können. Im Betrieb von herkömmlichen Line-Start- Elektromotoren, wie sie zum Beispiel aus der US 4,403,161 bekannt sind, kann das vom Stator erzeugte Magnetfeld den Rotor nicht ungehindert durchdringen, denn das vom Stator erzeugte Magnetfeld kann die Permanentmagnete in deren magnetischen Hauptachse nicht passieren, und in deren nicht-magnetischen Achse verhindern magnetische Flussbarrieren im Rotor einen ungehinderten Durchfluss. Dadurch wird das Anlaufdrehmoment reduziert. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rotor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, mit dem das Anlaufdrehmoment eines herkömmlichen Line-Start- Elektromotors gesteigert werden kann.The magnetic field existing in the operation of the line-start electric motor in an air gap between the rotor and stator comprises two components. The first component of the resulting field is caused by the stator windings. This is also known as a rotating field. The second component of the resulting field is caused by the permanent magnets, which can also be referred to as permanent magnets. In the operation of conventional line-start electric motors, as are known for example from US 4,403,161, the magnetic field generated by the stator cannot penetrate the rotor unhindered, because the magnetic field generated by the stator cannot pass through the permanent magnets in their main magnetic axis, and In their non-magnetic axis, magnetic flow barriers in the rotor prevent unrestricted flow. This reduces the starting torque. The object of the invention is to provide a rotor according to the preamble of claim 1, with which the starting torque of a conventional line-start electric motor can be increased.
Die Aufgabe ist bei einem Rotor für einen Elektromotor, insbesondere einen Line-Start-Elektromotor, mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen für Leiterstäbe und mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen für Permanentmagnete, die gekrümmt ausgebildet und angeordnet sind, dadurch gelöst, dass die Aufnahmeräume für Permanentmagnete und/oder die Permanentmagnete selbst unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen. Durch die Verwendung von Permanentmagneten, die keinen konstanten Krümmungsradius, wie beispielsweise bei den aus der US 4,403,161 bekannten Elektromotoren, sondern unterschiedliche Krümmungsradien, zum Beispiel in Gestalt einer Ellipse aufweisen, wird erreicht, dass das von den Statorwicklungen erzeugte Magnetfeld den Rotor besser durchdringen kann. Es kann somit ausgehend von den Statorwicklungen ein stärkeres Magnetfeld durch den Rotor geleitet werden, was zu einem höheren Anlass- oder Anlaufdrehmoment führt.The object is achieved in a rotor for an electric motor, in particular a line-start electric motor, with receiving spaces for conductor bars that run in the axial direction and with receiving spaces for permanent magnets that are curved and arranged in the axial direction, in that the receiving spaces for Permanent magnets and / or the permanent magnets themselves have different radii of curvature. The use of permanent magnets, which do not have a constant radius of curvature, such as in the case of the electric motors known from US Pat. No. 4,403,161, but have different radii of curvature, for example in the form of an ellipse, means that the magnetic field generated by the stator windings can penetrate the rotor better. Starting from the stator windings, a stronger magnetic field can thus be passed through the rotor, which leads to a higher starting or starting torque.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Permanentmagnete so angeordnet sind, dass sie ein Permanentmagnetfeld mit einer Permanentmagnetachse und einer Neutralachse erzeugen, und dadurch, dass die Aufnahmeräume für die Permanentmagnete und/oder dieA preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that a plurality of permanent magnets are arranged in such a way that they generate a permanent magnetic field with a permanent magnet axis and a neutral axis, and in that the receiving spaces for the permanent magnets and / or the
Permanentmagnete selbst so gekrümmt ausgebildet und um die Drehachse des Rotors herum angeordnet sind, dass der Abstand zwischen den Aufnahmeräumen für die Permanentmagnete und/oder den Permanentmagneten selbst und den Aufnahmeräumen für die Leiterstäbe, im Querschnitt durch den Rotor be- trachtet, im Bereich der Permanentmagnetachse größer als im Bereich der Neutralachse ist. Dadurch wird ausreichend Raum für die Feldlinien des von dem Stator erzeugten Magnetfelds geschaffen.Permanent magnets themselves are so curved and arranged around the axis of rotation of the rotor that the distance between the receiving spaces for the permanent magnets and / or the permanent magnets themselves and the receiving spaces for the conductor bars, viewed in cross section through the rotor, in the region of the permanent magnet axis is larger than in the area of the neutral axis. This creates sufficient space for the field lines of the magnetic field generated by the stator.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume für die Permanentmagneten und/oder die Permanentmagnete selbst, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, die Gestalt von Bögen aufweisen, die in Form einer Ellipse angeordnet sind, deren Hauptachse mit der Neutralachse und deren Nebenachse mit der Permanentmagnetachse zusammenfällt. Diese Anordnung hat sich bezüglich der Verteilung der Magnetfeldlinien im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung als besonders vorteilhaft erwiesen.Another preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the receiving spaces for the permanent magnets and / or the permanent magnets themselves, viewed in cross section through the rotor, have the shape of arcs which are arranged in the form of an ellipse, the main axis of which is aligned with the neutral axis and whose minor axis coincides with the permanent magnet axis. This arrangement has changed in terms of distribution of the magnetic field lines during operation of the device according to the invention has proven to be particularly advantageous.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume für die Permanentmagneten und/oder die Permanentmagnete selbst, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, im Bereich der Schnittpunkte mit der Permanentmagnetachse schwächer gekrümmt sind als im Bereich der Schnittpunkte mit der Neutralachse. Dadurch wird erreicht, dass die Permanentmagneten nicht so stark um die Rotordrehachse gekrümmt sind, sondern sich in Richtung der Neutralachse erstrecken. Dadurch kann sich das von den Permanentmagneten erzeugte Permanentmagnetfeld im synchronen Betrieb des Elektromotors möglichst breit in den Luftspalt zwischen Rotor und Stator ausdehnen.Another preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the receiving spaces for the permanent magnets and / or the permanent magnets themselves, viewed in cross section through the rotor, are less curved in the area of the intersection points with the permanent magnet axis than in the area of the intersection points with the neutral axis. It is thereby achieved that the permanent magnets are not so strongly curved about the axis of rotation of the rotor, but rather extend in the direction of the neutral axis. As a result, the permanent magnetic field generated by the permanent magnets can expand as wide as possible into the air gap between the rotor and stator when the electric motor is in synchronous operation.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass sich das von den Permanentmagneten erzeugte Permanentmag- netfeld, bezogen auf den Rotorquerschnitt, über einen Winkelbereich von mehr als 300°, insbesondere über einen Winkelbereich von etwa 340°, erstreckt. Mit diesen Werten wurden bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Versuchen die besten Ergebnisse erzielt.Another preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the permanent magnetic field generated by the permanent magnets, based on the rotor cross section, extends over an angular range of more than 300 °, in particular over an angular range of approximately 340 °. With these values, the best results were achieved in tests carried out within the scope of the present invention.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekenn- zeichnet, dass die Aufnahmeräume für die Leiterstäbe in mindestens einemAnother preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the receiving spaces for the conductor bars in at least one
Sektor des Rotors einen im Wesentlichen länglichen Querschnitt aufweisen, und dadurch, dass die Aufnahmeräume für die Leiterstäbe in diesem Sektor, im Querschnitt betrachtet, entlang ihrer Längsachse gekrümmt ausgebildet sind. Bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass die Drehmomentschwankungen bei herkömmlichen Line- Start-Elektromotoren darauf zurückzuführen sind, dass der Verlauf der Feldstärke des resultierenden Magnetfelds in dem Luftspalt zwischen Stator und Rotor über dem Drehwinkel nicht sinusförmig, sondern, zumindest teilweise, eckig ist. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung der Aufnah- meräume für Leiterstäbe kann im Betrieb ein annähernd sinusförmiger Verlauf erreicht werden.Sector of the rotor have a substantially elongated cross section, and in that the receiving spaces for the conductor bars in this sector, viewed in cross section, are curved along their longitudinal axis. In tests carried out within the scope of the present invention, it has been found that the torque fluctuations in conventional line-start electric motors are due to the fact that the course of the field strength of the resulting magnetic field in the air gap between the stator and rotor is not sinusoidal over the angle of rotation, but, at least partially, is angular. Due to the design and arrangement of the receiving spaces for conductor bars according to the invention, an approximately sinusoidal course can be achieved during operation.
Die oben angegebene Aufgabe ist bei einem Elektromotor, insbesondere einem Line-Start-Elektromotor, mit einem Stator, der eine Vielzahl von Wicklungen und einen Rotoraufnahmeraum mit einem insbesondere kreisförmigen Querschnitt aufweist, dadurch gelöst, dass ein vorab beschriebener Rotor drehbar in dem Rotoraufnahmeraum aufgenommen ist. Der erfindungsgemäße Rotor führt aufgrund des annähernd sinusförmigen Verlaufs der magnetischen Feldstärke des Permanentmagnetfelds über dem Rotordrehwinkel zu verbesserten Anlaufeigenschaften, insbesondere zur besseren Synchronisation.The above task is for an electric motor, especially a line-start electric motor, with a stator that has a large number of windings and has a rotor receiving space with an in particular circular cross section, solved in that a previously described rotor is rotatably received in the rotor receiving space. Due to the approximately sinusoidal course of the magnetic field strength of the permanent magnetic field over the rotor rotation angle, the rotor according to the invention leads to improved starting properties, in particular to better synchronization.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing. Show it:
Figur 1 die Darstellung eines Querschnitts durch einen Rotor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;Figure 1 shows a cross section through a rotor according to a first embodiment of the invention;
Figur 2 eine verkleinerte Darstellung des Rotors aus Figur 1 mit Feldlinien des durch die Permanentmagneten erzeugten Magnetfelds;FIG. 2 shows a reduced representation of the rotor from FIG. 1 with field lines of the magnetic field generated by the permanent magnets;
Figur 3 den Rotor aus Figur 2 mit Feldlinien des von einem Stator erzeug- ten Magnetfelds;3 shows the rotor from FIG. 2 with field lines of the magnetic field generated by a stator;
Figur 4 die Darstellung eines Querschnitts durch einen Rotor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung undFigure 4 shows a cross section through a rotor according to another embodiment of the invention and
Figur 5 die Darstellung eines Querschnitts durch einen Rotor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.Figure 5 shows a cross section through a rotor according to another embodiment of the invention.
In Figur 1 ist ein Rotor 1 eines Line-Start-Elektromotors im Querschnitt dargestellt. Der Rotor 1 weist ein zentrales Durchgangsloch 2 auf, das zur Aufnahme einer (nicht dargestellten) Welle dient, über die ein von dem Elektromotor erzeugtes Drehmoment abgegeben werden kann.FIG. 1 shows a rotor 1 of a line start electric motor in cross section. The rotor 1 has a central through hole 2, which serves to receive a shaft (not shown), via which a torque generated by the electric motor can be output.
Um das Durchgangsloch 2 herum sind vier Aufnahmeräume 4, 5, 6 und 7 für Permanentmagnete 10, 11 , 12 und 13 angeordnet. Die Aufnahmeräume 4 bis 7 erstrecken sich in axialer Richtung zumindest über einen Teil der Länge des Rotors 1. Im Querschnitt betrachtet sind die vier Aufnahmeräume 4 bis 7 für die Permanentmagneten 10 bis 13 in der Gestalt einer Ellipse angeordnet. Die Pole der Permanentmagneten 10 bis 13 sind jeweils durch die Großbuchstaben N für Nordpol und S für Südpol bezeichnet. Die dargestellte Anordnung der Perma- nentmagnete 10 bis 13 führt zur Ausbildung eines magnetischen Felds, dessen Feldstärke entlang einer neutralen Achse 16 Null und entlang einer Magnetachse 17 am größten ist. Die neutrale Achse 16 wird auch als Neutralachse bezeichnet.Around the through hole 2 around four receiving spaces 4, 5, 6 and 7 for permanent magnets 10, 11, 12 and 13 are arranged. The receiving spaces 4 to 7 extend in the axial direction at least over part of the length of the rotor 1. When viewed in cross section, the four receiving spaces 4 to 7 for the permanent magnets 10 to 13 are arranged in the shape of an ellipse. The poles of the permanent magnets 10 to 13 are each designated by the capital letters N for the north pole and S for the south pole. The arrangement of the perma- Magnets 10 to 13 lead to the formation of a magnetic field, the field strength of which is zero along a neutral axis 16 and greatest along a magnetic axis 17. The neutral axis 16 is also referred to as the neutral axis.
Nach außen hin wird der Rotor 1 von einer Kreiszylindermantelfläche begrenzt, auf deren Umfang eine Vielzahl von Aufnahmeräumen 20 bis 25 und 28, 29 für Leiterstäbe angeordnet sind. Die Aufnahmeräume für (nicht dargestellte) Leiterstäbe erstrecken sich in axialer Richtung über die gesamte Länge des Rotors 1. Der Rotor 1 ist, bezogen auf die neutrale Achse 16 und die Magnetachse 17 in sich symmetrisch ausgebildet. Deshalb sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur die Aufnahmeräume 20 bis 25 und 28, 29 für die Leiterstäbe mit Bezugszeichen versehen.To the outside, the rotor 1 is delimited by a circular cylinder surface, on the circumference of which a large number of receiving spaces 20 to 25 and 28, 29 are arranged for conductor bars. The receiving spaces for conductor bars (not shown) extend in the axial direction over the entire length of the rotor 1. The rotor 1 is symmetrical in relation to the neutral axis 16 and the magnetic axis 17. Therefore, for reasons of clarity, only the receiving spaces 20 to 25 and 28, 29 for the conductor bars are provided with reference numerals.
Jeder Aufnahmeraum für einen Leiterstab, der auch als Aufnahmeraum für eine Leiterwicklung bezeichnet werden kann, umfasst zwei Seitenwände 31 und 32, die durch eine halbkreisförmige Verbindungswand 34 verbunden sind. An dem anderen Ende sind die länglichen Aufnahmeräume für die Leiterstäbe spitz oder stumpf zulaufend ausgebildet. Die Abstände 35 bis 39 zwischen den nach außen gewandten Enden der Aufnahmeräume für die Leiterstäbe sind konstant.Each receiving space for a conductor bar, which can also be referred to as a receiving space for a conductor winding, comprises two side walls 31 and 32, which are connected by a semicircular connecting wall 34. At the other end, the elongated receiving spaces for the conductor bars are tapered or blunt. The distances 35 to 39 between the outwardly facing ends of the receiving spaces for the conductor bars are constant.
In Figur 1 sieht man, dass die beiden Seitenwände des Aufnahmeraums 28 konkav ausgebildet sind. Im Unterschied dazu sind die beiden Seitenwände des Aufnahmeraums 29 konvex ausgebildet. Der Aufnahmeraum 28 wird durch die neutrale Achse 16 und der Aufnahmeraum 29 durch die Magnetachse 17 in zwei gleiche Hälften zerteilt. Die zwischen den Aufnahmeräumen 28 und 29 und somit zwischen der Neutralachse 16 und der Magnetachse 17 angeordneten Aufnahmeräume 20 bis 25 weisen jeweils eine konvexe und eine konkave Seitenwand auf. Der Krümmungsradius der Aufnahmeräume 20 bis 25 nimmt von der Neutralachse 16 zu der Magnetachse 17 hin ab. Das heißt, der Aufnahmeraum 20 weist die größten und der Aufnahmeraum 25 die kleinsten Krümmungsradien auf.In Figure 1 it can be seen that the two side walls of the receiving space 28 are concave. In contrast, the two side walls of the receiving space 29 are convex. The receiving space 28 is divided into two equal halves by the neutral axis 16 and the receiving space 29 by the magnetic axis 17. The receiving spaces 20 to 25 arranged between the receiving spaces 28 and 29 and thus between the neutral axis 16 and the magnetic axis 17 each have a convex and a concave side wall. The radius of curvature of the receiving spaces 20 to 25 decreases from the neutral axis 16 to the magnetic axis 17. This means that the receiving space 20 has the largest and the receiving space 25 the smallest radii of curvature.
In Figur 2 ist das von den Permanentmagneten 10 bis 13 erzeugte Magnetfeld in Form von magnetischen Feldlinien teilweise dargestellt.In Figure 2, the magnetic field generated by the permanent magnets 10 to 13 is partially shown in the form of magnetic field lines.
In Figur 3 ist das von einem (nicht dargestellten) Stator erzeugte Magnetfeld während des asynchronen Anlaufen des Rotors in Form von Magnetfeldlinien teilweise dargestellt. Durch Pfeile 48 und 49 ist in Figur 3 der magnetische Fluss durch den Rotor 1 angedeutet.FIG. 3 shows the magnetic field generated by a stator (not shown) during the asynchronous starting of the rotor in the form of magnetic field lines partially shown. The magnetic flux through the rotor 1 is indicated in FIG. 3 by arrows 48 and 49.
Die gekrümmten Aufnahmeräume für die Leiterstäbe, die auch als Nuten bezeichnet werden können, liefern den Vorteil, dass das von den Permanentmag- neten erzeugte magnetische Feld im Betrieb des (nicht dargestellten) Line-Start- Elektromotors kontrolliert durch den Rotor 1 hindurchgeleitet werden. Dadurch kann im Betrieb des Elektromotors in dem Luftspalt zwischen Stator und Rotor ein angenähert sinusförmiger Verlauf der Feldstärke des resultierenden Magnetfelds erzeugt werden.The curved receiving spaces for the conductor bars, which can also be referred to as grooves, provide the advantage that the magnetic field generated by the permanent magnets is passed through the rotor 1 in a controlled manner during operation of the line-start electric motor (not shown). As a result, an approximately sinusoidal course of the field strength of the resulting magnetic field can be generated in the air gap between the stator and rotor during operation of the electric motor.
Die Krümmung der Nuten beziehungsweise Aufnahmeräume für die Leiterstäbe hat die primäre Funktion während des synchronen Betriebes des Elektromotors das von den Permanentmagneten erzeugte magnetische Feld sinusförmig in dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator zu verteilen. Demzufolge wird das Magnetfeld im Bereich der Neutralachse am schwächsten und im Bereich der Magnetachse am stärksten sein.The curvature of the grooves or receiving spaces for the conductor bars has the primary function during the synchronous operation of the electric motor to distribute the magnetic field generated by the permanent magnets sinusoidally in the air gap between the rotor and the stator. As a result, the magnetic field will be weakest in the area of the neutral axis and strongest in the area of the magnetic axis.
Darüber hinaus wird durch die gekrümmte Ausbildung der Aufnahmeräume für die Leiterstäbe und die spezielle Anordnung der Leiterstäbe beim Anlaufen des Elektromotors viel Raum für das den Rotor durchdringende magnetische Feld des Stators geschaffen. Wie in Figur 3 zu sehen ist, ist zwischen den Aufnahme- räumen 24 und 25 für die Leiterstäbe und dem Permanentmagneten 11 ausreichend Raum für den Durchgang der Magnetfeldlinien. Dadurch werden magnetische Engpässe vermieden, die zu einer unerwünschten Sättigung des Rotorblechs führen könnten. Durch die spezielle Anordnung der Permanentmagneten wird der zur Verfügung stehende Raum noch vergrößert.In addition, the curved design of the receiving spaces for the conductor bars and the special arrangement of the conductor bars when the electric motor starts up creates a lot of space for the magnetic field of the stator which penetrates the rotor. As can be seen in FIG. 3, there is sufficient space between the receiving spaces 24 and 25 for the conductor bars and the permanent magnet 11 for the passage of the magnetic field lines. This avoids magnetic bottlenecks that could lead to undesired saturation of the rotor plate. The special arrangement of the permanent magnets increases the available space.
Mit der Erfindung wird erreicht, dass das Magnetfeld beim Anlaufen des Elektromotors so gesteuert wird, dass Lücken im Magnetfeld, die durch die Permanentmagneten verursacht werden, ausgefüllt werden.It is achieved with the invention that the magnetic field is controlled when the electric motor starts up so that gaps in the magnetic field which are caused by the permanent magnets are filled.
In Figur 4 ist ein Rotoraufnahmeraum 101 des Stators durch einen Kreis schematisch im Querschnitt dargestellt. In dem Rotoraufnahmeraum 101 ist ein Rotor 102 drehbar aufgenommen. Der Rotor 102 hat einen ellipsenförmigen Querschnitt. In der Nähe des äußeren Umfangs des Rotors 102 sind Aufnahmeräume 104, 105, 106 gleichmäßig über den Umfang des Rotors 102 verteilt angeordnet. Die Aufnahmeräume 104, 105 und 106 für Leiterstäbe haben jeweils einen kreisförmigen Querschnitt. Radial innerhalb der Aufnahmeräume 104 bis 106 für Leiterstäbe sind zwei Aufnahmeräume 110 und 111 für Permanentmagneten angeordnet. Die Aufnahmeräume 110 und 111 für Permanentmagnete erstrecken sich, ebenso wie die Aufnahmeräume 104 bis 106 für Leiterstäbe, in axialer Richtung des im Wesentlichen kreiszylinderförmigen Rotors 102. Die Aufnahmeräume 110 und 111 für Permanentmagnete sind um die Drehachse des Rotors herum gekrümmt angeordnet und ausgebildet, und zwar mit unterschiedlichen Krümmungsradien. Die Aufnahmeräume 110 und 111 haben die Gestalt von Bögen, die in Form einer Ellipse angeordnet sind.In Figure 4, a rotor receiving space 101 of the stator is shown schematically in cross section by a circle. A rotor 102 is rotatably received in the rotor receiving space 101. The rotor 102 has an elliptical cross section. In the vicinity of the outer circumference of the rotor 102, receiving spaces 104, 105, 106 are arranged distributed uniformly over the circumference of the rotor 102. The receiving spaces 104, 105 and 106 for conductor bars each have one circular cross section. Radially within the receiving spaces 104 to 106 for conductor bars, two receiving spaces 110 and 111 for permanent magnets are arranged. The receiving spaces 110 and 111 for permanent magnets, like the receiving spaces 104 to 106 for conductor bars, extend in the axial direction of the substantially circular-cylindrical rotor 102. The receiving spaces 110 and 111 for permanent magnets are arranged and formed curved around the axis of rotation of the rotor, and with different radii of curvature. The receiving spaces 110 and 111 have the shape of arcs which are arranged in the shape of an ellipse.
Im Zentrum weist der Rotor ein zentrales Durchgangsloch 117 auf, das zur Aufnahme einer Welle dient, die drehfest mit dem Rotor 102 verbunden werden kann. Über die (nicht dargestellte) Welle kann das von dem Elektromotor erzeugte Drehmoment abgegeben werden.In the center, the rotor has a central through hole 117 which serves to receive a shaft which can be connected to the rotor 102 in a rotationally fixed manner. The torque generated by the electric motor can be output via the shaft (not shown).
In den Aufnahmeräumen 110 und 111 sind Permanentmagnete 114 und 115 aufgenommen, die ein Permanentfeld erzeugen. Das von den Permanentmagneten 114 und 115 erzeugte magnetische Feld ist in Figur 4 durch Magnetfeldlinien 120, 121 angedeutet. Das von den Permanentmagneten 114 und 115 erzeugte Permanentmagnetfeld weist eine Magnetachse 122 und eine Neutralachse 123 auf. Entlang der Magnetachse 122 ist die Magnetfeldstärke am größten. Entlang der Neutralachse 123 ist die Magnetfeldstärke des Permanentmagnetfelds gleich null.Permanent magnets 114 and 115, which generate a permanent field, are received in the receiving spaces 110 and 111. The magnetic field generated by the permanent magnets 114 and 115 is indicated in FIG. 4 by magnetic field lines 120, 121. The permanent magnetic field generated by the permanent magnets 114 and 115 has a magnetic axis 122 and a neutral axis 123. The magnetic field strength is greatest along the magnetic axis 122. Along the neutral axis 123, the magnetic field strength of the permanent magnetic field is zero.
Der Rotor 102 hat entlang der Magnetachse 122 eine größere Dicke als entlang der Neutralachse 123. Demzufolge hat der Rotor 2 an seinem äußeren Umfang die Gestalt einer Ellipse, deren Hauptachse mit der Magnetachse 122 und deren Nebenachse mit der Neutralachse 123 zusammenfällt. Die von den Aufnahmeräumen 110 und 111 für die Permanentmagneten 114 und 115 gebildete Ellipse ist senkrecht zu der den äußeren Umfang des Rotors 102 bildenden Ellipse angeordnet. Die Hauptachse der von den Aufnahmeräumen 110 und 111 gebildeten Ellipse fällt mit der Neutralachse 123 zusammen. Die Nebenachse der von den Aufnahmeräumen 110 und 111 gebildeten Ellipse fällt mit der Magnetachse 122 zusammen.The rotor 102 has a greater thickness along the magnetic axis 122 than along the neutral axis 123. Accordingly, the rotor 2 has the shape of an ellipse on its outer circumference, the main axis of which coincides with the magnetic axis 122 and the secondary axis of which coincides with the neutral axis 123. The ellipse formed by the receiving spaces 110 and 111 for the permanent magnets 114 and 115 is arranged perpendicular to the ellipse forming the outer circumference of the rotor 102. The main axis of the ellipse formed by the receiving spaces 110 and 111 coincides with the neutral axis 123. The minor axis of the ellipse formed by the receiving spaces 110 and 111 coincides with the magnetic axis 122.
Die Verwendung eines Rotors, der in Richtung der Magnetachse 122 der Permanentmagneten 114 und 115 einen größeren Durchmesser beziehungsweise eine größere Dicke aufweist als in Richtung der Neutralachse 123, führt dazu, dass der Abstand zwischen dem Rotor 102 und dem Rotoraufnahmeraum 101 des Stators variiert, das heißt, der zwischen Rotor 102 und dem Rotoraufnahmeraum 101 des Stators ausgebildete Luftspalt ist variabel. Der Luftspalt ist am 5 kleinsten entlang der Magnetachse 122 und am größten entlang der Neutralachse 123.The use of a rotor which is larger in the direction of the magnetic axis 122 of the permanent magnets 114 and 115 respectively has a greater thickness than in the direction of the neutral axis 123, means that the distance between the rotor 102 and the rotor receiving space 101 of the stator varies, that is to say the air gap formed between the rotor 102 and the rotor receiving space 101 of the stator is variable. The air gap is smallest along the magnetic axis 122 and largest along the neutral axis 123.
Bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform füllen die Permanentmagnete 114 und 115 nicht den gesamten Querschnitt der Aufnahmeräume 110 und 111 aus. Die leeren beziehungsweise mit Luft gefüllten Teile der Aufnahmeräume 0 110 und 111 erzeugen kein Magnetfeld, was an dem Verlauf der Magnetfeldlinien 120, 121 zu erkennen ist. Der Abstand zwischen den Magnetfeldlinien in dem Luftspalt zwischen dem Rotor 102 und den Rotoraufnahmeräumen 101 des Stators ist ein Maß für die elektrische Feldstärke. Aus Figur 4 ist ersichtlich, dass die Magnetfeldstärke dort am größten ist, wo der Rotor 102 ganz nahe an dem 5 Rotoraufnahmeraum 101 des Stators angeordnet ist. Rechts und links der Magnetachse 122 wird das von den Permanentmagneten 114 und 115 erzeugte Magnetfeld schwächer, was erwünscht ist. Dadurch wird erreicht, dass die magnetische Feldstärke in dem Luftspalt zwischen dem Rotor 102 und dem Rotoraufnahmeraum 101 des Stators in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors an o eine Sinusform angenähert wird.In the embodiment shown in FIG. 4, the permanent magnets 114 and 115 do not fill the entire cross section of the receiving spaces 110 and 111. The empty or air-filled parts of the receiving spaces 0 110 and 111 do not generate a magnetic field, which can be seen from the course of the magnetic field lines 120, 121. The distance between the magnetic field lines in the air gap between the rotor 102 and the rotor receiving spaces 101 of the stator is a measure of the electric field strength. It can be seen from FIG. 4 that the magnetic field strength is greatest where the rotor 102 is arranged very close to the rotor receiving space 101 of the stator. To the right and left of the magnetic axis 122, the magnetic field generated by the permanent magnets 114 and 115 becomes weaker, which is desirable. It is thereby achieved that the magnetic field strength in the air gap between the rotor 102 and the rotor receiving space 101 of the stator is approximated to a sinusoidal shape as a function of the angle of rotation of the rotor.
In Figur 5 ist ein Rotor 102' im Querschnitt dargestellt, der dem in Figur 4 dargestellten Rotor 102 ähnelt. Allerdings sind die Aufnahmeräume 110' und 111' vollständig mit Permanentmagneten 114' und 115' ausgefüllt. Außerdem sind in Figur 5 Magnetfeldlinien 150, 151 des von den Statorwicklungen (nicht dargestellt) 5 erzeugten Magnetfelds eingezeichnet. Die Magnetachse des von den Statorwicklungen erzeugten Magnetfelds ist mit 154 bezeichnet. Senkrecht dazu verläuft die Magnetachse 152 des von den Permanentmagneten 114' und 115' erzeugten Permanentmagnetfelds. Die Krümmungsradien der Permanentmagnete 114' und 115' sind im Bereich der Schnittpunkte mit der Magnetachse 152 deut- o lieh größer als an den Enden der Permanentmagnete. Daraus ergibt sich, dass der Abstand F zwischen dem Durchgang 117 und den Permanentmagneten 114', 115' deutlich größer ist als der Abstand G.FIG. 5 shows a rotor 102 'in cross section, which is similar to the rotor 102 shown in FIG. 4. However, the receiving spaces 110 'and 111' are completely filled with permanent magnets 114 'and 115'. 5 shows magnetic field lines 150, 151 of the magnetic field generated by the stator windings (not shown) 5. The magnetic axis of the magnetic field generated by the stator windings is designated 154. The magnetic axis 152 of the permanent magnetic field generated by the permanent magnets 114 'and 115' runs perpendicular to this. The radii of curvature of the permanent magnets 114 'and 115' are significantly larger in the region of the intersections with the magnetic axis 152 than at the ends of the permanent magnets. It follows that the distance F between the passage 117 and the permanent magnets 114 ', 115' is significantly larger than the distance G.
Durch den variierenden Krümmungsradius der Permanentmagneten kann das Anlassmoment oder Anlaufmoment eines Line-Start-Elektromotors gesteigert werden. Die Permanentmagnete sind vorzugsweise oval oder in Form einer Ellipse angeordnet. Die gekrümmte Ausbildung beziehungsweise Anordnung der Permanentmagneten hat gegenüber einer eckigen oder kreisförmigen Anordnung den Vorteil, dass das von den Statorwicklungen erzeugte Magnetfeld den Rotor besser durchdringen kann. In Figur 5 sieht man, wo die Feldlinien 150, 151 von dem Stator in den Rotor eintreten, durch den Rotor verlaufen und an der gegenüberliegenden Seite wieder in den Stator eintreten. Wie man in Figur 5 sieht, ist zwischen den Permanentmagneten und den Leiterstäben beziehungsweise den Aufnahmeräumen für die Leiterstäbe genügend Raum für die Magnetfeld- linien des Statormagnetfelds. Somit werden keine magnetischen Engpässe verursacht, wie bei herkömmlichen Line-Start-Elektromotoren. Die Permanentmagneten können entweder einstückig ausgebildet sein, oder aus mehreren Magnetsegmenten gebildet sein. The starting torque or starting torque of a line-start electric motor can be increased by the varying radius of curvature of the permanent magnets become. The permanent magnets are preferably oval or in the form of an ellipse. The curved design or arrangement of the permanent magnets has the advantage over an angular or circular arrangement that the magnetic field generated by the stator windings can penetrate the rotor better. 5 shows where the field lines 150, 151 enter the rotor from the stator, run through the rotor and re-enter the stator on the opposite side. As can be seen in FIG. 5, there is enough space between the permanent magnets and the conductor bars or the receiving spaces for the conductor bars for the magnetic field lines of the stator magnetic field. This means that no magnetic bottlenecks are caused, as is the case with conventional line-start electric motors. The permanent magnets can either be formed in one piece, or can be formed from a plurality of magnet segments.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Rotor für einen Elektromotor, insbesondere einen Line-Start-Elektromotor, mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen (20 bis 25; 104 bis 106) für Leiterstäbe und mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen (4 bis7;110, 111 ) für Permanentmagneten (114,115), die gekrümmt ausgebildet und angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume (4 bis 7;110,111) für die Permanentmagneten und/oder die Permanentmagnete (114,115) unterschiedlicher Krümmungsradien aufweisen.1.Rotor for an electric motor, in particular a line-start electric motor, with receiving spaces (20 to 25; 104 to 106) extending in the axial direction for conductor bars and with receiving spaces (4 to 7; 110, 111) extending in the axial direction for permanent magnets ( 114, 115), which are curved and arranged, characterized in that the receiving spaces (4 to 7; 110, 111) for the permanent magnets and / or the permanent magnets (114, 115) have different radii of curvature.
2. Rotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Permanentmagnete (114,115) so angeordnet sind, dass sie ein Permanentmagnetfeld mit einer Permanentmagnetachse (17,122) und einer Neutralachse (16;123) erzeugen, und dadurch, dass die Aufnahmeräume (4 bis 7;110,111) für Permanentmagnete und/oder die Permanentmagnete selbst so gekrümmt ausgebildet und um die Drehachse des Rotors herum angeordnet sind, dass der Abstand zwischen den Aufnahmeräumen (4 bis 7; 110,111) für Permanentmagnete und/oder den Permanentmagneten selbst und den Aufnahmeräumen (20 bis 25; 104 bis 106) für Leiterstäbe, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, im Bereich der Magnetachse (17,122) größer als im Bereich der Neutralachse (16,123) ist.2. Rotor according to claim 1, characterized in that a plurality of permanent magnets (114, 115) are arranged such that they generate a permanent magnetic field with a permanent magnet axis (17, 122) and a neutral axis (16; 123), and in that the receiving spaces (4 to 7 ; 110,111) for permanent magnets and / or the permanent magnets themselves are so curved and arranged around the axis of rotation of the rotor that the distance between the receiving spaces (4 to 7; 110,111) for permanent magnets and / or the permanent magnets themselves and the receiving spaces (20th to 25; 104 to 106) for conductor bars, viewed in cross section through the rotor, is larger in the area of the magnetic axis (17, 122) than in the area of the neutral axis (16, 123).
3. Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume (4 bis 7;110,11 ) für die Permanentmagneten und/oder die Permanentmagnete selbst, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, die Gestalt von Bögen aufweisen, die in Form einer Ellipse angeordnet sind, deren Hauptachse mit der Neutralachse (16; 123) und deren Nebenachse mit der Permanentmagnetachse (17; 122) zusammenfällt.3. Rotor according to claim 2, characterized in that the receiving spaces (4 to 7; 110, 11) for the permanent magnets and / or the permanent magnets themselves, viewed in cross section through the rotor, have the shape of arcs which are in the form of an ellipse are arranged, the main axis of which coincides with the neutral axis (16; 123) and the secondary axis of which coincides with the permanent magnet axis (17; 122).
4. Rotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume (4 bis 7;110,111) für die Permanentmagneten und/oder Permanentmagnete selbst, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, im Bereich der Schnittpunkte mit der Permanentmagnetachse (17;122) schwächer gekrümmt sind als im Bereich der Schnittpunkte mit der Neutralachse (16; 123).4. Rotor according to claim 2 or 3, characterized in that the receiving spaces (4 to 7; 110, 111) for the permanent magnets and / or permanent magnets themselves, viewed in cross section through the rotor, in the region of the intersection points with the permanent magnet axis (17; 122) are less curved than in the area of the intersection with the neutral axis (16; 123).
5. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das von den Permanentmagneten erzeugte Permanentmagnet- feld, bezogen auf den Rotorquerschnitt, über einen Winkelbereich von mehr als 300°, insbesondere über einen Winkelbereich von etwa 340°, erstreckt.5. Rotor according to one of the preceding claims, characterized in that the permanent magnet generated by the permanent magnets Field, based on the rotor cross-section, extends over an angular range of more than 300 °, in particular over an angular range of approximately 340 °.
6. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume (20 bis 25) für Leiterstäbe in mindestens einem Sektor des Rotors einen im Wesentlichen länglichen Querschnitt aufweisen, und dadurch, dass die Aufnahmeräume (20 bis 25) für die Leiterstäbe in diesem Sektor, im Querschnitt betrachtet, entlang ihrer Längsachse gekrümmt ausgebildet sind.6. Rotor according to one of the preceding claims, characterized in that the receiving spaces (20 to 25) for conductor bars in at least one sector of the rotor have a substantially elongated cross section, and in that the receiving spaces (20 to 25) for the conductor bars in this sector, viewed in cross section, are curved along its longitudinal axis.
7. Elektromotor, insbesondere Line-Start-Elektro-motor, mit einem Stator, der eine Vielzahl von Wicklungen und einen Rotoraufnahmeraum mit einem insbesondere kreisförmigen Querschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche drehbar in dem Rotoraufnahmeraum aufgenommen ist. 7. Electric motor, in particular line-start electric motor, with a stator which has a plurality of windings and a rotor receiving space with a particularly circular cross section, characterized in that a rotor according to one of the preceding claims is rotatably received in the rotor receiving space.
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